CC BY
13Список литературы
1. Бородин Л. А. О расчете упругопластических систем при сейсмическом воздействии / Л. А. Бородин // Строительная механика и расчет сооружений. - 1982. - №1. - С. 68-72.
2. Бородин Л. А. Оценка энергии, сообщаемой упругопластическим системам при сейсмическом воздействии / Л. А. Бородин // С-во и арх.-ра. Сер. 14. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. Э.-И. - 1979. - Вып. 10. - С. 20-25.
3. Корчинский И. Л. Оценка несущей способности конструкций при сейсмическом воздействии с энергетических позиций / И. Л. Корчинский // Бетон и железобетон. - М. : 1967. - №2.
4. Корчинский И. Л. Конструктивные мероприятия, обеспечивающие повышение сохранности каркасов зданий во время землетрясений / И. Л. Корчинский, Л. А. Бородин, Г. М. Остриков // Строительство и архитектура Узбекистана. - 1977. - №3. -С. 39-42.
5. Остриков Г. М., Максимов Ю. С. Стальные сейсмостойкие каркасы многоэтажных зданий. - Алма-Ата: Казахстан, 1985. - 120 с.
6. Новиков В. Л. Экспериментальное исследование на модели динамических характеристик стального каркаса здания, оснащенного энергопоглотителями / В. Л. Новиков, Г. М. Остриков // Реф. сб. Строительство и арх-ра. Сер. 14. Сейсмостойкое строительство. - 1979. - Вып. 10. - С. 14-18.
7. Ажермачов Г. А. Експериментальш дослщження енергопоглинача кшьцевого типу на знакозмшш навантаження / Г. А. Ажермачов, А. З. Абдурахманов, Е. М. Меннанов // Motrol. Motorization and power industry in agriculture. - Simferopol - Lublin 2012. -Volume 14-1. - P. 28-34.
8. Пат. 35850 Украша, МПК (2006) Е04Н 9/02 Е04В 1/24. Каркас сейсмостшко'1 багатоповерхово'1 будiвлi / Г. А. Ажермачов, С. Г. Ажермачов, А. З. Абдурахманов; заявник та патентовласник Нащональна академiя природоохоронного та курортного будiвництва. - № u200804782; заявл. 14.04.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. №19. - 4 с.
9. Лихтарников Я. М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций / Лихтарников Я. М. - М. : Стройиздат, 1979. - 319 с.
10. ДБН В.1.1-12-2006. Строительство в сейсмических районах Украины / Минстрой, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства Украины. - К.: ИСС «ЗОДЧИИ», 2006. - 50 с.
УДК 624.137
ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ СИСТЕМЫ «СВАЙНОЕ УДЕРЖИВАЮЩЕЕ СООРУЖЕНИЕ-ГРУНТ» ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ОСНОВАНИЯ
ПЕРЕД СВАЯМИ
Дьяков И.М.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
На основании численных экспериментов выявлены особенности работы системы «свайное удерживающее сооружение-грунт» при возникновении различных по форме и глубине механических повреждений грунтового основания. Исследовано изменение напряженно-деформированного состояния свай и свайного ростверка, деформации и напряжения в грунтовом массиве при возникновении и увеличении повреждения. Выявлены факторы, влияющие на живучесть системы «свайное удерживающее сооружение-грунт» и определены пути ее повышения.
Свайные удерживающие сооружения, повреждение, живучесть, оползни, численный эксперимент, прогрессирующее разрушение
Введение
Свайные удерживающие сооружения широко используются для закрепления оползнеопасных склонов. Повреждение системы «свайное удерживающее сооружение-грунт» несет угрозу прогрессирующего разрушения свайного сооружения, развития оползневых процессов, аварий объектов, размещенных как на удерживаемом массиве грунта, так и на прилегающих территориях. В соответствии с ДБН В.1.2-14-2009 [1], «строительные конструкции и основания ... должны иметь достаточную живучесть относительно локальных разрушений и предусмотренных нормами аварийных влияний». Вместе с тем методы оценки и пути обеспечения живучести не определены и не нормированы, что объясняется недостаточной экспериментальной и теоретической базой в данной сфере. Несмотря на участившиеся аварии, отсутствуют методы оценки живучести конструкций, взаимодействующих с грунтом, что не позволяет повысить безопасность освоения и эксплуатации территорий со сложными инженерно-геологическими условиями и рельефом местности.
Анализ публикаций
Исследованиями в области живучести различных сооружений и строительных конструкций активно проводились в последние годы в Украине, России и других странах такими учеными, как: Н.П. Абовский, В.И. Колчунов, Г.А. Гениев, Г.И. Шапиро, В.И. Травуш, Н.В. Клюева, А.В. Перельмутер, П.Г. Еремеев, Б.С. Расторгуев, В.М. Бондаренко, Я.М. Айзенберг, Ю.И. Кудишин, В.О. Алмазов, А.И. Плотников, А.Г. Тамразян, В.М. Ройтман, С.В. Доронин, В.В. Тур, В.К. Востров, Ю.П. Назаров, В.Н. Симбиркин и др. Этими и другими авторами разработаны различные подходы к оценке живучести многопролетных и пространственных сооружений, многоэтажных каркасных и панельных зданий и других объектов. Исследования живучести сооружения и конструкции, взаимодействующие с грунтом, в том числе свайных удерживающих конструкций, носят единичный характер [2, 3], не достаточный для создания методики ее оценки.
Цель и постановка задач
Цель статьи - на основе численных экспериментов выявить особенности влияния механических повреждений грунтового основания на напряженно-деформированное состояние свайных удерживающих конструкций и живучесть системы «удерживающее сооружение - грунт».
Задачи исследования: рассмотреть и проанализировать результаты численных экспериментов; выявить особенности изменения напряженно-деформированного состояния свай, свайного ростверка и грунтового массива при возникновении повреждений в грунтовом основании; выявить влияние повреждений на живучесть системы «удерживающее сооружение - грунт».
Методика исследований
Методика включала проведение численного эксперимента в программном комплексе «Р1ах18», сопоставление и анализ результатов экспериментальных исследований.
Результаты и их анализ
Повреждения грунтового основания перед свайным удерживающим сооружением достаточно распространены. Их можно разделить на:
— механические повреждения;
— изменения деформационных и прочностных характеристик грунта под воздействием воды, суффозионных и других процессов.
Механические повреждения грунтового основания перед сваями могут быть связанны с разработкой грунта при прокладке коммуникаций, выполнении планировочных мероприятий в процессе строительного освоении участка, устройством траншей и котлованов (рис.1), с рядом склоновых и других процессов. Для оценки влияния на живучесть свайной удерживающей конструкции локальных механических повреждений в основании сооружений перед сваями были проведены численные эксперименты в программном
комплексе «Plaxis 3D», позволяющем моделировать поэтапное образование и увеличение повреждений в грунтовом массиве.
Рис.1. Разработка грунта перед свайной удерживающей конструкцией [4]
В эксперименте использовалась однорядная свайная удерживающая конструкция с круглыми сваями длиной 8 м диаметром 0,6 м. В верхней части сваи были объединены ростверком сечением 0,8х1,0 м. Длина сооружения 12 м. Грунтового массив сложен пылевато-глинистыми грунтами. Повреждения в основании (выемки) моделировались в ПК «Plaxis 3D» путем задания их формы на поверхности грунта и дальнейшей экструзии грунтового массива. В процессе эксперимента полученным объемам первоначально присваивались свойства грунта основного массива, которые на определенном этапе эксперимента обнулялись. Глубина задаваемых в моделях выемок составляла: 1,0 м, 2,0 м, 3,0 м и 4,0 м. Для каждой глубины в процессе эксперимента пошагово изменялась
2
протяженность выемки вдоль сооружения, достигая в последней стадии расчета - от длины
3
сооружения. В исследованиях анализировались: эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил в ростверке и сваях, напряженно- деформированное состояние грунтового массива.
Исследования показали, что образование повреждения в виде выемки даже при небольшой ее глубине приводит к значительному увеличению усилий в свайном ростверке. Так при выемке глубиной 1 м и длине 8 м, максимальный изгибающий момент в ростверке в горизонтальной плоскости возрастал в 8,0 раз, а при выемках большой глубины при той же длине в 80,0 раз (табл.1). Изменение формы эпюры при увеличении протяженности выемки происходило однотипно для выемок различной глубины. Максимальная величина изгибающего момента достигалась у центра повреждения (рис.2).
Таблица 1
Сводная таблица максимальных изгибающих моментов, поперечных и продольных сил
в элементах свайной удерживающей конструкции при возникновении повреждений в _____основании перед сваями_
та задаваемого »еждения м, ,я Максимальные усилия в ростверке* Максимальные усилия в сваях*
ан ьл а 15 е ем и рь ел пе ин е е р « о п а н и н е е р в о п а н и б Мх, кНм Му, кНм Ох, кН Оу, кН кН Мх, кНм Му, кНм Ох, кН Оу, кН кН
^ « а о |-ч а сд ко ^ а « ул 1-4
Без 0 0 0 0,574 12,03 0,514 24,58 -13,65 2,368 4,435 1,802 5,19 -46,68
повре- -0,402 -8,545 -0,362 -23,24 -0,225 -6,138 -1,192 -4,285
ждения
Выемка 1.1 2,0 1,0 2,568 12,47 1,279 24,61 -13,73 2,308 4,662 1,796 4,944 -52,79
малой - 0,57 -11,72 -1,025 -23,23 -0,563 -5,777 -2,49 -4,58
глубины 1.2 5,0 1,0 4,837 13,03 1,906 24,98 -14,0 2,356 4,401 1,761 4,776 -55,58
-1,058 -12,40 -2,105 -22,11 -0,449 -5,343 -1,638 -4,383
1.3 8,0 1,0 4,52 12,43 1,688 24,12 -13,38 2,4 4,407 1,764 4,596 -60,52
-0,297 -12,97 -1,971 -22,29 -1,064 -5,105 -1,373 -4,567
Выемка 2.1 2,0 2,0 7,058 12,85 3,418 24,74 -14,75 2,727 4,182 2,011 5,419 -49,14
средней -0,987 -15,83 -3,301 -24,18 -2,365 -5,442 -6,628 -5,822
глубины 2.2 5,0 2,0 15,72 13,46 5,893 25,14 -16,91 3,081 3,6 4,57 7,178 -50,07
-4,163 -16,47 -7,52 -22,85 -2,068 -5,202 -6,048 -5,453
2.3 8,0 2,0 16,11 12,62 5,814 24,15 -15,77 3,212 4,245 5,346 6,851 -52,17
-0,91 -16,95 -6,028 -22,96 -3,212 -4,751 -3,790 -6,053
Выемка 3.1 2,0 3,0 10,83 12,21 4,863 23,51 -15,59 5,384 5,525 4,265 4,836 -52,79
средней -1,347 -16,30 -5,144 -23,52 -5,246 -5,062 -9,028 -6,649
глубины 3.2 5,0 3,0 27,40 12,84 9,814 23,82 -20,40 7,239 4,923 10,19 8,719 -55,58
-7,142 -16,45 -13,32 -21,89 -4,413 -7,491 -10,79 -6,344
3.3 8,0 3,0 31,45 12,07 10,69 22,89 -20,05 7,356 6,665 11,12 8,647 -60,52
-1,137 -16,17 -11,51 -22,05 -3,077 -7,207 -7,11 -8,494
Выемка 4.1 2,0 4,0 13,47 12,08 5,89 23,59 -16,82 7,521 5,94 6,716 4,754 -49,96
боль- -1,731 -13,39 -6,146 -23,96 -8,258 -5,13 -10,99 -6,753
шой 4.2 5,0 4,0 37,41 12,72 13,27 23,71 -23,72 13,11 6,295 18,08 11,59 -62,17
глубины -9,289 -13,40 -17,72 -24,0 -10,18 -10,60 -15,22 -8,27
4.3 8,0 4,0 45,91 11,62 15,49 22,92 -24,26 13,17 9,569 19,97 11,77 -67,07
-1,205 -11,50 -16,39 -22,92 -5,109 -10,59 -10,55 -10,9
*В числителе даны максимальные положительные, а в знаменателе - максимальные отрицательные значения
отсутствии и наличии повреждений грунтового основания переменной длины глубиной
1 и 4 м
Увеличение максимальной величины поперечной силы в ростверке в горизонтальной плоскости при выемках малой глубины и большой протяженности достигало 5,5 раза, а при глубоких выемках 45,3 раза (табл.1). Пиковые ординаты эпюры наблюдалась у краев выемки
(Рис.3).
Рис.З.Поперечные силы в ростверке в горизонтальной плоскости при отсутствии повреждений грунтового основания и при наличии повреждений переменной длины
глубиной 1 и 4 м
Значительных изменений изгибающих моментов и поперечных сил в ростверке в вертикальной плоскости при увеличении длины и глубины выемки в экспериментах не наблюдалось. Максимальное увеличение продольной силы в ростверке при активизации глубоких повреждений в основании конструкции составило 1,83 раза. Растягивающие усилия в ростверке можно объяснить возникновением распора в грунте между сваями и развитием
при повреждении основания большой глубины
Исследование величины изгибающих моментов в сваях при выемках малой глубины не выявило существенных изменений ординат и формы эпюр (рис.5). Создание длинных глубоких повреждений в грунтовом основании приводило к трансформации эпюр изгибающих моментов в плоскости «х-7» в сваях у повреждения и перераспределению усилий между сваями. При этом величина максимального изгибающего момента в сваях, расположенных у выемки, возрастала в 23 раза. Значительный уровень изгибающего момента наблюдался на участках у заделки сваи в ростверк и ниже уровня повреждений в
грунте. Изменение характера работы свай у выемки послужило причиной сложного напряженно-деформированного состояния свайного ростверка, возникновения в нем крутящего момента, меняющего по длине конструкции величину и знак.
Увеличение поперечных сил в сваях в плоскости «х-7» происходило лишь при выемках большой глубины и протяженности и сопровождалось изменением знака на отдельных участках (рис.6). Основные трансформации усилий наблюдались в верхней части свай, расположенных у выемки. Увеличение значений максимальной поперечной силы в центральных сваях достигало 11,0 раз.
Рис.5. Эпюры изгибающих моментов в сваях при отсутствии выемки и при выемках
малой и большой глубины
глубины
Усилия в сваях в плоскости «у^» при выемках малой глубины были незначительными. При организации выемки глубиной 4 м с ростом ее длины происходило увеличение момента в 2,1 раза и поперечной силы в 2,5 раза. Изменение усилий в сваях в плоскости «у^», а так же характер поля деформаций и распределения нормальных напряжений в горизонтальных плоскостях грунтового массива (рис.7.) свидетельствуют о развитии арочного эффекта в грунте, удерживаемом свайным сооружением. При этом значительная концентрация напряжений в грунтовом массиве наблюдалась у торцов выемки.
Таким образом, живучесть свайных удерживающих конструкций при локальных механических повреждениях грунтового основания в первую очередь зависит от: параметров повреждения (глубины и протяженности), запаса прочности свайного ростверка по нормальным и наклонным сечениям в горизонтальной плоскости и запаса прочности свай, расположенных у повреждения, по нормальным и наклонным сечениям в плоскости «x-z». Учитывая концентрацию усилий в грунте у краев выемки, существенную роль в живучести системы «свайная удерживающая конструкция - основание» играет прочностные и деформационные характеристики основания у повреждения. При возникновении повреждений большой протяженности и глубины возникает риск потери устойчивости грунтового основания и опрокидывания сооружения. При использовании для расчета программного комплекса «Р1ах18» расчет в таких случаях заканчивается сообщением «грунтовое тело разрушено».
Рис.7. Деформации грунтового массива и поле напряжений в горизонтальной плоскости по оси «х» на глубине 1 м от верха повреждения
Выводы
Возникновение механических повреждений в грунтовом основании перед свайной удерживающей конструкцией, характерных для современных условий их эксплуатации, оказывает существенное влияние на распределение и величину усилий в конструкциях сооружения и грунте. Глубокие протяженные повреждения грунтового основания приводят к принципиальным изменениям в работе конструкций и сооружения в целом с изменением не только величины усилий, но и формы их эпюр.
Живучесть свайных удерживающих конструкций при локальных механических повреждениях грунтового основания в первую очередь зависит от следующих факторов:
— параметров повреждения (глубины и протяженности);
— запаса прочности свайного ростверка в горизонтальной плоскости;
— запаса прочности свай, расположенных у повреждения, в плоскости «х^»;
— физико-механических характеристик массива грунта и прочностных характеристик
грунта основания.
Наиболее уязвимой конструкцией сооружения, существенно влияющей на живучесть системы «свайное удерживающее сооружение - грунт», является свайный ростверк. Даже при неглубоком повреждении основания в нем возникают значительные усилия в основных рабочих плоскостях, а при глубоком повреждении основания - крутящий момент.
Численные исследования в программном комплексе «Р1ах1в 3Б» позволяют моделировать работу системы «свайное удерживающее сооружение - грунт» с повреждениями основания, оценить живучесть системы и разработать мероприятия по ее повышению.
Повышение живучести свайного удерживающего сооружения при рассматриваемых повреждениях основания возможно за счет повышения прочности ростверка в горизонтальной плоскости и на кручение, прочности центральных свай на изгиб и поперечную силу в плоскости «х-7», использования методов улучшения свойств грунтового основания.
Список литературы
1. ДБН В.1.2-14-2009. Общие принципы обеспечения надежности и конструктивной безопасности зданий, сооружений строительных конструкций и оснований.- К.: Минрегионстрой Украины, 2009.- 43 с.
2. Дьяков И. М. Предпосылки и некоторые аспекты применения теории живучести к оценке работы подпорных стен на запредельные нагрузки / И. М. Дьяков // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. — Симферополь: НАПКС, 2011. — Вып. 39. — С. 29—34.
3. Дьяков И. М. Оценка живучести свайных удерживающих конструкций / И. М. Дьяков // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. науч. трудов. — Днепропетровск : ГВУЗ ПГАСА, 2013. — Вып. 69. — С. 169—174.
4. Шаленний В.Т. Охорона пращ, техшчна та пожежна безпека будiвництва i реконструкцп об'ек^в : Навч. поабник / О. М. Лiвiнський, А. Д. Ссипенко, В. Т. Шаленний, В. С. Дорофеев, В. I. Москаленко, В. О. Гридякш, А. А. Ковальов, Т. В. Самусь, Г. М. Ковальов, В. М. Гродський. — К. : "МП Леся", 2012. — 440 с.
УДК 624.131.543
МЕХАНИЗМ ПОВЕДЕНИЯ ОПОЛЗНЯ ПЕРЕД И В МОМЕНТ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ РАВНОВЕСНОГО РЕЖИМА
Ефремов А.В.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Описаны формы движения оползня после «перескакивания» на другой режим функционирования, сущности и формы катастроф, которые возникают в момент потери оползнем устойчивого равновесия и переход его в активную фазу. Разработаны формулы оценки поведения оползня в трехмерном пространстве.
Оползни, функционирование, катастрофы, устойчивость, равновесие, поведение, трехмерное пространство
Введение
Перед и в момент потери устойчивости состояния равновесия оползня при воздействии на него внешних и внутренних факторов является наиболее опасным переходом его поведения. В данный момент происходят наиболее серьезные последствия для хозяйственной деятельности и жизни населения, разрушаются хозяйственные постройки, жилье, объекты социальной инфраструктуры, трубопроводы, транспортные сети, электролинии и др.
